Method Article

エンジニアリング·プラットフォームおよび神経的に制御されたパワードTransfemoral人工関節の設計と評価のための実験プロトコール

DOI:

10.3791/51059

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July 22nd, 2014

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1Joint Department of Biomedical Engineering, North Carolina State University & University of North Carolina at Chapel Hill, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, University of North Carolina School of Medicine, 3Atlantic Prosthetics & Orthotics, LLC

In This Article

Summary

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ニューラル·マシン·インターフェース（NMI）は、ユーザの移動モードを同定するために開発されてきた。これらのNMIは、動力義足の神経制御のための潜在的に有用であるが、十分に発揮されていない。本稿では、安全に下肢切断の患者に対する神経的制御の義足を評価するために、実験室環境での容易な実装と開発神経制御のパワー下肢義肢および（2）実験およびプロトコルのための（1）私たちの設計し、エンジニアリング·プラットフォームを発表かつ効率的に。

Abstract

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動力義足の直感的な操作を可能にするために、ユーザの運動の意図を認識することができ、ユーザとプロテーゼとの間のインターフェースが望まれている。我々の以前の研究で開発された神経筋 - 機械融合に基づく新規の神経·マシン·インターフェース（NMI）を正確にtransfemoral切断者の意図した動きを識別するための大きな可能性を実証しています。しかし、このインタフェースは、まだ真の神経制御のための動力義足に統合されていません。この研究は、パワード下肢人工関節の神経制御を実施し、最適化するための（1）柔軟なプラットフォームおよび下肢切断の患者に対する神経補綴コントロールを評価する（2）実験およびプロトコルを報告することを目的とした。最初のPCとビジュアルプログラミング環境に基づいたプラットフォームは、NMIの学習アルゴリズム、NMIオンラインテストアルゴリズム、および固有制御アルゴリズムを含む、人工関節の制御アルゴリズムを実装するために開発された。実証するために、このプラットフォームの機能は、この研究では、神経筋 - 機械融合に基づく、NMIは、階層的にプロトタイプtransfemoralプロテーゼの組み込みのコントロールに統合されました。一方的なtransfemoral切断した一人の患者は、立ち、平地歩行、傾斜上昇などの活動を行う際に私たちの実装を用いたニューラルネットワークモデルの評価、および実験室で連続して下降をランプに採用されました。小説実験およびプロトコルは、安全かつ効率的に新しい人工関節コントロールをテストするために開発された。提示概念実証プラットフォームと実験とプロトコルは、神経的に制御されたパワー義足の今後の開発と応用を支援することができます。

Introduction

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アトス下肢義肢は、商業市場、1,2と研究コミュニティ3-5の両方でますます注目を集めている。従来の受動的な義足に比べて、電動式人工関節は下肢切断患者がより効率的に受動的なデバイスを身に着けているときには困難または不可能であるアクティビティを実行することを可能にするという利点を有する。しかしながら、現在、（階段登りに歩いて、レベル地上から例えば 、）スムーズでシームレスな活動の移行がまだパワード義足ユーザーのための挑戦的な課題である。この困難性は、主に、ユーザの運動の意図を「読み取り」と迅速にシームレスに活性モードの切り替えをユーザーに可能にするために、プロテーゼ制御パラメータを調整することができるユーザ·マシン·インターフェースの欠如によるものである。

これらの課題に対処するために、ユーザ·マシン·インタフェースを設計する際の様々なアプローチが検討されている。 NMIは、E（電図に基づく請求MG）の信号は、電源が入っ下肢義肢の直感的なコントロールを可能にするために大きな可能性を実証しています。二つの最近の研究6,7は着座位置時の残留の筋肉から記録されたEMG信号を監視することにより、transfemoral切断者の行方不明の膝の意図した動きをデコードすると報告した。 AU ら 5は、1下腿切断者の2歩行モード（レベルグラウンドウォーキングや階段の降下）を....

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Protocol

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1。パワードTransfemoral補綴の神経制御の実現のためのプラットフォーム

エンジニアリング·プラットフォームは、動力義足の神経制御を実装し、評価するために、本研究で開発されました。ハードウェアは、2.8 GHzのCPUおよび4 GB RAM、アナログ - ディジタルコンバータ（ADC）及びデジタル - アナログコンバータ（DAC）の両方を有する多官能性データ収集ボード、モータコントローラ、デジタルI備えたデスクトップPCが含まれ/ Oは、我々のグループ12で設計し、プロトタイプパワードtransfemoral人工器官。アナログセンサ入力が最初のADCによってデジタル化され、信号処理用のデスクトップPCにストリーミングした。 DACは、モータ制御装置を介してプロテーゼにDCモータを駆動するための制御出力のために使用した。デジタルI / Oは無効/モータコントローラを有効にするために使用した。電源プロテーゼはデスクトップPCにつながおよび24 Vの電源から電力を供給されました。

ソフトウェアは、広告にプログラムされていたデスクトップPC上で動作している仮想計測に適しevelopment環境。開発環境を効果的にカスタマイズされたプラットフォームを実現するために、ユーザ定義のソフトウェアとハ​​ードウェアの両方を組み合わせた仮想計測、に基づいていた。グラフィカルなブロックダイアグラムの構造を用いることに....

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Results

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議定書3.2.6で説明したように、彼は、股関節屈曲/伸展を実行したときに図4aは、対象者の断端の太ももの筋肉から測定した表面筋電信号の7チャンネルを示しています。 図4bは、被写体が上を歩いたときに記録されたEMG信号の6歩行サイクルを示しています平地歩行パス、プロトコル3.3.4の間。この図から、新たに設計されたEMG電極ソケットインターフェイスは、表面EMG信号測定値の良好な品質を提供できることが分かる。

図5は 、制御モードを示していますフェーズを検出して、一つの代表的なオンラインテスト試験で神経的に制御されたパワーtransfemoralプロテーゼの膝関節角度をもたらした。被験者は立位、平地歩行への移行、ランプ上昇、レベル地上歩行を開始し、その後、歩行パスの最後に停止するように頼まれた。被験者は、その後Tに沿って、元の出発点に戻った彼はルートを逆にします。神経制御では 、 図5に示すように、被験者を募集を.......

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Discussion

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エンジニアリング·プラットフォームを容易に実装、最適化、およびパワード補綴物の真の神経制御を開発するために、本研究で開発されました。プラットフォーム全体を仮想計測ベースの開発環境でプログラムおよびデスクトップPCに実装されました。制御ソフトウェアは、特定の機能（ すなわち NMI意図認識し、固有の制御）を実施したこれらの各々において、いくつかの独立した交換可能なモジュールで構成した。このモジュラー設計の利点は、各機能ブロックは容易に、デバッグ、変更、更新することができることである。また、機能の追加や削除やモジュール間の接続を変更することは容易にこのコンピュータ·プログラムで行うことができる。したがって、プラットフォームは、容易に別の神経制御情報に基づいて、又は異なるユーザの意図認識技術に基づいて、他のNMIを実装するために適用することができる。脳波ベースの神経·マシン·インターフェースが開発されている場合など、、それは簡単に実装することができますデータ取得モジュールと意図認識モジュールを変更することで、このプラットフォームでmented;新しいテント復号方法に基づいて、ニューラル·マシン·インタフェースを開発する場合、.......

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Disclosures

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利害の対立が宣言されていません。

Acknowledgements

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この作品は、1149385を付与し、グラント0931820の下で国立科学財団によって部分的に、グラントRHD064968A下国立衛生研究所によって部分的にサポートし、1361549を付与し、一部は助成H133G120165下障害者リハビリテーション研究に関する研究所がした。著者らは、この研究では彼らの偉大な提案と支援のために、尼僧矯正および補綴技術、LLCの林デュ、鼎王、ジェラルドHeffermanロードアイランド大学、そしてマイケル·J·尼僧に感謝します。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TrignoワイヤレスEMGセンサーDelsys、Inc.
Trigno Wireless EMG基地局Delsys、Inc.
1 多機能DAQカード(PCI-6259)National Instruments, Inc.
1 ポテンショメータ (RDC503013A)アルプス電気株式会社1
エンコーダ (MRシリーズ)マクソンプレシジョンモーターズ株式会社
モーターコントローラー(ADS50/10) マクソン・プレシジョン・モーターズ(株)
24 V電源(DPP480)TDK-Lambda Americas, Inc.
6自由度ロードセル(Mini58)ATI Industrial Automation1
Ceiling Rail SystemRoMedic, Inc.
NI LabView 2011National Instruments, Inc.1
71111

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. The POWER KNEE. , http://www.ossur.com/prosthetic-solutions/products/knees-and-legs/bionic-knees/power-knee (2014).
  2. Walk. BiOM Ankle System. , http://www.biom.com (2014).
  3. Martinez-Villalpando, E. C., Herr, H. Agonist-antagonist active knee prosthesis: a preliminary stu....

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